Технических объектов

Технологический процесс (цель)	Стадии развития ТО с нарастанием выполняемых функций
	I (технологическая)	II (технологическая + энергетическая)	III (технологическая + энергетическая + управленческая)	IV (технологическая + энергетическая + управленческая + планирования)
Размалывание зерна	Каменные жернова с ручным приводом	Мельница с приводом от водяного колеса, паровой машины или ветряная	Мельница с системой автоматического правления (САУ)	Мельница с САУ, получающая задание автоматизированной системы планирования работы (АСПР)
Перемещение грузов	Тачка, колесная тележка, перемещаемые человеком	Экипаж с двигателем (паровоз, автомобиль)	Локомотив с автомашинистом, автомобиль с САУ	Электропоезда, метро с САУ, получающие информацию АСПР, осуществляющей сбор информации
Изготовление детали путем обработки резанием	Токарный станок с ручным или ножным приводом	Токарный станок с приводом от вод. колеса, пар. машины или эл. двигателя	Токарный станок с числовым программным обеспечением (ЧПУ)	Металлорежущие станки с ЧПУ, получающие задание от АСПР (автоматизированный цех, завод)

С течением времени росли не только количественные показатели «техносферы» (число видов ТО различного назначения и их модификаций, серийность или объем партий одноименных инструментов, машин, аппаратов, систем, сложность или число элементов в них), но и качественные показатели, характеризующие функциональные параметры, влияющие на производительность и эффективность оборудования (мощность, скорость, точность и др.), а также определяющие интенсивность влияния нагрузок и эксплуатируемых машин на их детали (механические и электромагнитные нагрузки, температура и т. п.).

Первые паровые машины, как и первые двигатели внутреннего сгорания (ДВС), имели мощность в несколько лошадиных сил. В начале века мы гордились первенцем советской энергетики – Волховской ГЭС, имевшей мощность 66 тыс. кВт. Построенные через 30–50 лет ГЭС (Красноярская, Саяно-Шушенская и др.) оборудованы большим количеством гидротурбин, каждая из которых превосходит по мощности Волховскую ГЭС более чем в десять раз. В нашей стране освоен выпуск гидротурбин для ГЭС, паровых турбин для ТЭС, АЭС мощностью свыше 1 млн кВт. Мощность двигателей современных космических ракет достигает фантастических величин – сотен миллионов киловатт. За семь, восемь десятилетий развития локомотивов и их мощность возросла в 10–15 раз. Например, рост мощности тепловозов с 1924 г. характеризуется так: ТЭ1 – 1000 л.с., ТЭ2 – 2000, 2ТЭ3 – 4000, 2ТЭ10 – 6000, 2ТЭ121 – 8000, 2ТЭ136 – 12000 л.с.

Весьма показателен рост удельной мощности ДВС, приходящейся на единицу массы двигателей различных годов выпуска (см. табл. 5).

Таблица 5 – Удельная мощность ДВС

Годы выпуска	1900	1913	1931	1953	1954	1955	Современный авиационный поршневой	Современный авиационный реактивный
Удельная мощность, л.с./кг	0,004	0,007	0,016	0,033	0,100	0,330	0,7–1,2	2,0–3,5

Данные табл. 5 показывают, что за 80–90 лет удельная мощность поршневых ДВС возросла в 300 раз, соответственно возросли нагрузки на детали и, конечно, снизился удельный расход металлов.

Важнейшими требованиями к современному технологическому оборудованию являются точность обработки деталей и чистота поверхности. Когда-то Джеймс Уатт с гордостью сообщал, что в его машине между поршнем и цилиндром «нельзя просунуть даже маленький палец». А российский изобретатель И.И. Ползунов, делая первую паровую машину, проверял зазоры в ней екатерининским пятаком, толщина которого достигала 6 мм. В своем наказе тульским оружейникам в 1706 г. Петр I требовал точности производства до «сотых дольнигов» (дюймов). Современные же станки позволяют обрабатывать детали с точностью до микрометров и даже их долей. Так, например, точность геометрических форм отверстий и валов нередко колеблется в пределах 0,5–2,0 мкм, а неконцентричность, непараллельность и неперпендикулярность поверхностей ряда деталей требуется выдержать в пределах 0,6–3,0 мкм.

В топливных насосах высокого давления тепловозных дизелей зазор между втулкой и плунжером измеряется в долях микрометра.

Поразительные результаты достигнуты в отношении точности попадания. Точность попадания ракет в цель измеряется несколькими метрами при дальности стрельбы в десятки и сотни километров. Корабль «Вояжер-2» за 12 лет полета к Нептуну, пройдя на расстоянии 5 тыс. км от него, накопил следующие ошибки от расчетных параметров: 30 км расстояния и 1,4 с времени (это при пройденном пути в 4,5 млрд км).

Новые принципы и методы регистрации светового излучения интенсивностью до одного кванта в секунду предложили белорусские ученые. Созданные ими приборы нашли применение в астрофизике, ядерной физике, оптике, электронике, технологии производства микросистем и многих других отраслях науки и техники. В современных приборах, в генной инженерии, в квартовой механике атом вещества стал реальным объектом, который не только изучается, но и перемещается на нужное место по желанию исследователя (речь идет о расстояниях, измеряемых в нанометрах – 10^9 м). В принципе современный силовой атомный микроскоп обладает достаточной чувствительностью для детектирования единичного электрона.

В распоряжении наших ученых и инженеров имеются приборы, измеряющие вес с точностью до двух миллионных долей грамма, температуру – до одной стотысячной доли градуса, регистрирующие отклонения силы тока в миллиардные доли ампера, происходящие на протяжении миллионных долей секунды, и столь же быстрые колебания напряжения в стотриллионные доли вольта. Какова же должна быть точность деталей этих приборов? И что получится, если хоть одна деталь не будет удовлетворять крайне жестким требованиям точности? Такой прибор не сможет правильно контролировать технологический процесс. А в результате отказ одной ненадежной детали может привести к выпуску крупной партии негодной продукции или к аварии крупной технической системы.

Скорость является основным функциональным показателем многих современных машин, предназначенных не только для транспортировки грузов и пассажиров, но и для переработки (обработки) материалов, энергии или информации. И этот показатель ТО в ходе научно-технического прогресса постоянно повышался, особенно в период научно-технической революции XX веке.

Так, за период развития авиации скорость самолетов увеличилась более чем в 100 раз: первые летательные аппараты обладали скоростью не более 40 км/час, а скорость космических кораблей и ракет достигла уже 40 тыс. км/час, что в 1000 раз превышает скорость первых самолетов. Увеличивается скорость движения и подвижного состава наземного транспорта: на отечественных железных дорогах скорость движения грузовых поездов – до 100 км/ч., пассажирских – до 160 км/ч., на скоростных участках – до 200–250 км/ч., на зарубежных высокоскоростных железнодорожных линиях – до 450 км/ч.; для грузовых автомобилей – до 100–120 км/ч., легковых – до 200–250 км/ч.

Высокие скорости широко используются и в производстве. Конструктивное и технологическое совершенствование станков позволяет, например, довести число оборотов шпинделя внутришлифовального станка до 120–150 тыс. об/мин. Роторы газотурбинных двигателей имеют частоту вращения до 40–60 тыс. об/мин.

Огромные скорости достигнуты в области переработки информации путем автоматизации этого сложного процесса с помощью компьютеров. Английскому математику Шенксу потребовалось 15 лет, чтобы узнать число «пи» с точностью до 707-го знака. Электронная вычислительная машина (еще образца 60-х гг. ХХ века) менее чем за одни сутки «выдала» это число с 2048 знаками после запятой, попутно исправив ошибки Шенкса. Проведенные в Институте кибернетики Академии наук Украины исследования показали, что при ручном методе проектирования железной дороги длиной в несколько сотен километров, проходящей по горной местности, решение с нужной точностью лишь одной из частей этой задачи – оптимального профилирования – потребует не менее 50 лет. Вычислительная машина решает эту задачу за несколько часов.

Комплексная автоматизация производственных процессов позволяет достигнуть таких быстроты, точности, постоянства параметров, экономии, которых человек обеспечить не может. В табл. 6 и 7 приведены данные о быстроте реакции человека на различные раздражители и об ошибках считывания показаний прибора при различных формах шкал. Автоматы могут улавливать то, что недоступно человеку, – невидимый свет, неслышимые звуки и многое другое. И, разумеется, они могут это сделать лишь в том случае, если работают надежно, безотказно.

Таблица 6 – Время реакции человека на различные раздражители

Раздражитель	Время, мс
Зрительный	150–225
Слуховой	120–182
Температурный	150–240
Болевой	400–1000

Таблица 7 – Ошибки считывания оператором показаний прибора

при различных формах шкал

Форма шкалы	Ошибка, %
Вертикальная линейка	35,5
Горизонтальная линейка	27,5
Полукруглая	16,6
Круглая	10,9
Окно	0,5

Автоматика является основой дальнейшего научно-технического прогресса. Однако чем сложнее и многограннее становятся ее задачи, тем большие требования предъявляются к ее надежности. Уже сейчас внедрение автоматизации в раде случаев тормозится не отсутствием необходимых приборов и устройств, а их недостаточной надежностью. Еще в начале XX века проблема надежности технических устройств была не такой острой, как сейчас; основной задачей технического прогресса являлось повышение эффективности и производительности машин. В настоящее время, в век небывалой технической революции, перед человечеством открываются возможности почти безграничного развития и совершенствования техники. Поэтому сейчас решающим условием технического прогресса становится проблема обеспечения высокой надежности машин и оборудования, всех технических объектов.

Прежде чем излагать инженерную сущность проблемы надежности техники и пути ее решения, нужно взять несколько уроков у природы. Она хороший учитель, ей во многом человек обязан каждым своим достижением. Создатели первых кораблей и подводных лодок изучали строение организма рыб. Н.Е. Жуковский при разработке теории воздухоплавания изучал полет птиц. И современным создателям машин невредно поучиться у природы – создательницы живых организмов, посмотреть, как решается проблема надежности в природе.

Посмотрим с этих позиций на человеческий мозг. Можно смело сказать, что сегодня среди всех творений человеческих рук, среди всех чудес техники нет ничего, что хотя бы приближалось к нему по сложности, экономичности, а главное – по надежности и гибкости работы. Мозг человека состоит примерно из 14 млрд нервных клеток – нейронов (а по последним данным – немного больше), которые целеустремленно управляют 100 трлн клеток организма. Тело человека имеет 639 мускулов, 206 костей скелета, его костные «шарниры» обладают 105 степенями свободы – и всем этим автоматически управляет наш мозг.

Каждый нейрон, как известно, может находиться либо в возбужденном, либо в заторможенном состоянии, упрощенно его можно уподобить по функциям двухпозиционному реле электромеханического, лампового, транзисторного или другого тока.

Предположим, что необходимо создать электронную машину с количеством элементов релейного действия, соответствующим количеству нейронов, имеющихся в мозге человека. Если бы в качестве таких элементов использовали триггеры на полупроводниковых приборах объемом в 1 см³ каждый и разместили бы их вплотную один к другому, объем такой машины был бы равен примерно новому зданию Московского государственного университета. Для питания такой машины потребовалась бы электростанция мощностью в несколько десятков киловатт, а для ее охлаждения – мощная река. А человеческий мозг свободно умещается в черепной коробке, занимая лишь около 1,5 дм³ , потребляет всего несколько ватт и при всем этом выполняет свои сложнейшие функции с поразительной надежностью, которой может позавидовать самое совершенное в мире техническое устройство.

За счет чего же достигается надежность работы человеческого мозга? Может быть, за счет очень высокой надежности каждого нейрона? Оказывается, нет. Отдельно взятый нейрон представляет собой элемент, значительно менее надежный, чем, например, электромеханическое реле или транзистор. Благодаря исключительно целесообразной организации, выражающейся в множественности резервных элементов и связей между ними, надежность работы человеческого организма оказывается значительно выше, чем надежность каждого из его органов. Таким образом, живые организмы представляют собой яркий пример высоконадежных систем, состоящих из огромного количества менее надежных, а порой и крайне ненадежных взаимодействующих элементов.

Высокая надежность характерна не только для мозга человека. Мы часто жалуемся на свое сердце, сетуем на то, что к старости оно начинает пошаливать, но задумываемся ли мы над тем, какую гигантскую работу в течение жизни человека выполняет сердце? Наше сердце сокращается 60–70 раз в минуту и при каждом сокращении выбрасывает в сосуды 60–70 см³ крови. Это значит, что за час сердце перекачивает около 300 л крови, за сутки – свыше 7 тыс. л, за год – 2 млн 500 тыс. л, за 70 лет – 175 млн л, или 175 тыс. м³. За 70 лет жизни человека сердце сокращается почти три миллиарда раз. Можно ли назвать хоть одно техническое устройство, которое могло бы выдержать хотя бы сотую часть такого количества включений и выключений? Все это показывает, насколько далека еще надежность самых совершенных технических устройств и систем от надежности работы живых организмов.

Великий русский ученый И.П. Павлов писал: «Человек есть, конечно, система (грубее говоря – машина), как и всякая другая в природе, подчиняющаяся неизбежным и единым для всей природы законам; но система, в горизонте нашего современного видения, единственная по высочайшему саморегулированию». Именно эта саморегулируемая и благодаря этому исключительно надежная система может во многом служить примером для создания сложнейших технических систем. Проблема создания высоконадежных и эффективных технических устройств с использованием принципов биологических систем легла в основу новой науки – бионики («бион» по-гречески – «ячейка жизни»). Бионика занимается изучением живых организмов с целью использования полученных знаний при решении инженерных задач создания принципиально новых и совершенствования существующих технических систем.

Изучение живой природы содействовало успешному решению вопросов надежности при конструировании многих сложных технических устройств. Всем известно, какие исключительно высокие требования предъявляются к надежности космических кораблей и ракет, особенно несущих на себе человека. Благодаря чему же обеспечивалось выполнение этих требований? Кроме совершенствования конструкций и технологии изготовления деталей и узлов использовалось несколько путей.

Первый и наиболее простой путь – уже упоминавшееся резервирование элементов, выполняющих определенную функцию, когда в случае отказа одного элемента функция выполняется резервным элементом. Однако хотя резервирование позволяет повысить надежность системы, возможность его применения при создании, например, космической аппаратуры очень ограничена, так как это связано с увеличением ее размеров и массы.

Второй путь, заимствованный из арсенала природы, – использование так называемой функциональной избыточности – способности организма при выходе из строя тех или иных его элементов возлагать выполнение их функций на другие элементы.

Более сложным путем, также заимствованным у природы, является самоперераспределение функций элементов системы. В этом случае сохранившие работоспособность элементы не только принимают на себя функции элементов, вышедших из строя, но и перестраиваются и даже меняют свою «квалификацию», чтобы обеспечить жизнеспособность организма при меньшем числе элементов.

Очевидно, основной путь к достижению высокой надежности состоит в создании таких технических систем, которые не только автоматически предупреждают о возможности выхода из строя той ли иной части системы (встроенные диагностические системы), но, подобно тому, как это делается в живом организме, автоматически вводят в действие резервные элементы и каналы, исключая опасность того, что система прекратит работать. Приведенные примеры показывают, какую огромную пользу в борьбе за повышение надежности новой техники может извлечь человек, изучая уроки живой природы. Это позволит ученым инженерам, техникам и рабочим создавать технические устройства столь высокой надежности, которая требуется от современной и перспективной техники.